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求集合$A=\{(x,y)\in\mathbb{R}^2 : x^3-x^2 -y^2 >0\}$的非平凡闭包

求集合$A={(x,y)\in\mathbb{R}^2 : x3-x2 -y^2 >0}$的非平凡闭包

嘿,我来帮你理清这个闭包的问题~首先咱们先拆解一下集合$A$的结构,把不等式$x^3 - x^2 - y^2 > 0$变形为$y^2 < x^2(x-1)$,先分析这个不等式能成立的区域:

  • 当$x \leq 1$时,$x-1 \leq 0$,而$x^2 \geq 0$,所以右边$x^2(x-1) \leq 0$,但左边$y^2$是非负的,只有右边严格大于0时才能满足不等式,所以只有$x > 1$时,才存在$(x,y)$属于$A$,此时$A$是$x>1$且$|y| < x\sqrt{x-1}$的区域(因为$x>1$,$|x|=x$)。

接下来看闭包的定义:闭包$\overline{A}$是$A$本身加上所有$A$的聚点(也就是能被$A$中某个序列无限逼近的点)。你一开始想到的集合$B={(x,y)\in\mathbb{R}^2 : x3-x2-y^2\geq 0}$大部分是对的,但确实要去掉$(0,0)$,咱们一步步验证:

  1. 对于$x>1$且满足$y^2 = x^2(x-1)$的点
    比如取点$(x_0,y_0)$,其中$x_0>1$,$y_0^2 = x_0^2(x_0-1)$,我们可以构造序列$(x_0, y_0 - \frac{1}{n})$,当$n$足够大时,$(y_0 - \frac{1}{n})^2 < y_0^2 = x_0^2(x_0-1)$,这个序列完全在$A$里,且极限是$(x_0,y_0)$,所以这类点属于$\overline{A}$。

  2. 点$(1,0)$
    构造序列$(1+\frac{1}{n}, 0)$,代入不等式得$(1+\frac{1}{n})^3 - (1+\frac{1}{n})^2 = (1+\frac{1}{n})^2 \cdot \frac{1}{n} > 0$,显然属于$A$,且这个序列的极限是$(1,0)$,所以$(1,0)$是$A$的聚点,属于$\overline{A}$。

  3. 点$(0,0)$
    你之前的判断完全正确,任何趋近$(0,0)$的序列$(x_n,y_n)$,当$n$足够大时,$|x_n| < 1$,此时$x_n^3 - x_n^2 = x_n^2(x_n - 1) \leq 0$,那么$x_n^3 - x_n^2 - y_n^2 \leq -y_n^2 \leq 0$,不满足$A$的不等式,所以这个序列必然会跑出$A$,$(0,0)$不是$A$的聚点,不能加入闭包。

  4. $x<0$或$0<x<1$的区域
    这时候$x2(x-1)$是负数,$y2 \leq$负数只有$y=0$且右边≥0,但右边是负的,所以$B$里在这些区域根本没有点,不用考虑。

所以最终$A$的闭包就是$B$去掉$(0,0)$,也就是:
$$\overline{A} = {(x,y)\in\mathbb{R}^2 : x^3 - x^2 - y^2 \geq 0} \setminus {(0,0)}$$

备注:内容来源于stack exchange,提问作者G2MWF

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